Jorden kan ha gett upp sina innersta hemligheter till ett par Kalifornien geokemister, som har använt omfattande datasimuleringar för att sammanställa den tidigaste historien om vår planets kärna.
Detta schema över jordens jordskorpa och mantel visar resultaten från deras studie, som fann att extrema tryck skulle ha koncentrerat järnets tyngre isotoper nära botten av manteln när det kristalliserade från ett hav av magma.
Genom att använda en superdator för att så gott som pressa och värma järnbärande mineraler under förhållanden som skulle ha funnits när jorden kristalliserade från ett hav av magma till sin fasta form för 4,5 miljarder år sedan, de två forskarna - från University of California i Davis - har producerat den första bilden av hur olika isotoper av järn initialt distribuerades på den fasta jorden.
Upptäckten skulle kunna inleda en våg av undersökningar om utvecklingen av jordens mantel, ett skikt av material på 1 800 mil djup som sträcker sig från precis under planetens tunna skorpa till dess metalliska kärna.
"Nu när vi har en aning om hur dessa isotoper av järn ursprungligen distribuerades på jorden," sade huvudstudieförfattaren James Rustad, "borde vi kunna använda isotoperna för att spåra den inre funktionen av jordens motor."
En tidning som beskriver Rustad och medförfattaren Qing-zhu Yins studie publicerades online av tidskriftenNaturgeovetenskap på söndagen den 14 juni, före tryckt publicering i juli.
Den stora manteln står fast mellan jordens jordskorpa och kärna och utgör cirka 85 procent av planetens volym. På en mänsklig tidsskala verkar denna enorma del av vår orb vara solid. Men över miljontals år får värme från den smälta kärnan och mantelens egna radioaktiva sönderfall att den sakta sväller, som tjock soppa över en låg låga. Denna cirkulation är drivkraften bakom yttrörelsen hos tektoniska plattor, som bygger berg och orsakar jordbävningar.
En informationskälla som ger insikt i fysiken för denna viskösa massa är de fyra stabila formerna, eller isotoper, av järn som kan hittas i stenar som har stigit till jordens yta vid mellersta havsryggarna där havsbotten sprider sig och på heta ställen som Hawaiis vulkaner som växer upp genom jordskorpan. Geologer misstänker att en del av detta material har sitt ursprung vid gränsen mellan manteln och kärnan cirka 1 800 mil under ytan.
"Geologer använder isotoper för att spåra fysikalisk-kemiska processer i naturen på det sätt som biologer använder DNA för att spåra utvecklingen av livet," sade Yin.
Eftersom sammansättningen av järnisotoper i stenar kommer att variera beroende på tryck- och temperaturförhållanden under vilka en sten skapades, sade Yin i princip geologer kan använda järnisotoper i bergarter samlade på heta ställen runt om i världen för att spåra mantelens geologiska historia . Men för att göra det, skulle de först behöva veta hur isotoperna ursprungligen distribuerades i jordens primordiala magmahav när det svalnade och härdat.
Yin och Rustad undersökte hur de konkurrerande effekterna av extremt tryck och temperatur djupt i jordens inre skulle ha påverkat mineralerna i den nedre manteln, den zon som sträcker sig från cirka 400 mil under planetens jordskorpa till kärnmantelgränsen. Temperaturer upp till 4500 grader Kelvin i regionen minskar de isotopiska skillnaderna mellan mineraler till en liten nivå, medan krossningstrycket tenderar att förändra den grundläggande formen av själva järnatomen, ett fenomen som kallas elektronisk spin-övergång.
Paret beräknade järnisotopens sammansättning av två mineraler under ett intervall av temperaturer, tryck och olika elektroniska spinnstillstånd som nu är kända för att uppstå i den nedre manteln. De två mineralerna, ferroperovskite och ferropericlase, innehåller praktiskt taget allt järn som förekommer i denna djupa del av jorden.
Beräkningarna var så komplexa att varje serie Rustad och Yin sprang igenom datorn krävde en månad att slutföra.
Yin och Rustad bestämde att extrema tryck skulle ha koncentrerat järnens tyngre isotoper nära botten av den kristalliserande manteln.
Forskarna planerar att dokumentera variationen av järnisotoper i rena kemikalier utsatta för temperaturer och tryck i laboratoriet som motsvarar dem som finns vid kärnmantelgränsen. Så småningom, sade Yin, hoppas de se sina teoretiska förutsägelser verifierade i geologiska prover genererade från den nedre manteln.
Källa: EurekAlert
